DE112005001951B4 - Piezoelectric ceramic composition and its use - Google Patents
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Abstract
Piezoelektrische Keramikzusammensetzung mit einem Hauptbestandteil, der durch die allgemeine Formel {(1 – n)(Ag1-xLix)m(Nb1-yTay)O3 – n(M1, M2)M3O3} dargestellt wird (wobei M1 ein dreiwertiges Metallelement darstellt, M2 ein einwertiges Metallelement darstellt und M3 ein vierwertiges Metallelement darstellt), wobei x, y, m und n festgelegt sind als:
0,075 ≤ x < 0,40;
0 ≤ y < 0,2;
0,98 ≤ m ≤ 1,0 und
0,01 ≤ n ≤ 0,1.The piezoelectric ceramic composition comprising a main component represented by the general formula {(1 - n) (Ag 1-x Li x) m (Nb 1-y Ta y) O 3 - n (M1, M2) M3O 3} is (wherein M1 represents a trivalent metal element, M2 represents a monovalent metal element and M3 represents a tetravalent metal element), where x, y, m and n are defined as:
0.075 ≤ x <0.40;
0 ≤ y <0.2;
0.98 ≤ m ≤ 1.0 and
0.01 ≤ n ≤ 0.1.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Keramikzusammensetzungen und piezoelektrische Elemente. Im Einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung bleifreie piezoelektrische Keramikzusammensetzungen, die bei einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen verwendet werden können, und betrifft piezoelektrische Elemente wie piezoelektrische Oszillatoren, piezoelektrische Aktoren, piezoelektrische Filter, piezoelektrische Summer und piezoelektrische Sensoren, die unter Verwendung der piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen hergestellt werden.The The present invention relates to piezoelectric ceramic compositions and piezoelectric elements. In detail, the present invention relates Invention lead-free piezoelectric ceramic compositions, the be used in a variety of piezoelectric elements can, and relates to piezoelectric elements such as piezoelectric oscillators, piezoelectric actuators, piezoelectric filters, piezoelectric Buzzer and piezoelectric sensors using piezoelectric Ceramic compositions are produced.
Stand der TechnikState of the art
Als Rohmaterialien für piezoelektrische Elemente wie piezoelektrische Oszillatoren werden verbreitet piezoelektrische Keramikzusammensetzungen, die Pb(Ti, Zr)O3 (Bleititanatzirkonat) oder PbTiO3 (Bleititanat) als Hauptbestandteil enthalten, verwendet.As raw materials for piezoelectric elements such as piezoelectric oscillators common piezoelectric ceramic compositions of Pb (Ti, Zr) O 3 (lead zirconate titanate), or PbTiO3 (lead titanate) as the main component, is used.
Da diese Arten von piezoelektrischen Keramikzusammensetzungen aber einen Pb-Bestandteil enthalten, sind sie aus Umweltgesichtspunkten nicht bevorzugt. Daher werden seit kurzem bleifreie piezoelektrische Materialien, die keinen Pb-Bestandteil enthalten, gefordert.There but these types of piezoelectric ceramic compositions contain a Pb ingredient, they are environmental not preferred. Therefore, recently, lead-free piezoelectric materials, the no Pb component included, required.
Daher wurde bereits eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung, die einen Hauptbestandteil mit einer Zusammensetzung, die durch die allgemeine Formel (Ag1-xLix)(Nb1-yTay)O3 dargestellt wird, wobei 0,075 ≤ x < 0,40 und 0 ≤ y < 0,20, und einen Zusatzbestandteil (nicht mehr als 5 Gewichtsteile), der mindestens eines von einem Mn-Oxid und einem Si-Oxid enthält, umfasst, offenbart (Patentschrift 1).Therefore, a piezoelectric ceramic composition having a main component having a composition represented by the general formula (Ag 1-x Li x ) (Nb 1-y Ta y ) O 3 has been previously described, wherein 0.075 ≦ x <0.40 and 0 ≦ y <0.20, and an additional ingredient (not more than 5 parts by weight) containing at least one of an Mn oxide and a Si oxide disclosed (Patent Document 1).
Ein piezoelektrisches Element muss allgemein einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 aufweisen, der einen Umwandlungswirkungsgrad bei der Umwandlung von zwischen Elektroden einer Piezoelektrik angelegter elektrischer Energie in mechanische Energie anzeigt. In Patentschrift 1 kann ein piezoelektrisches Element mit einem elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 von 20% oder mehr, was ein einem praktischen Einsatz standhaltender Wert ist, durch Verwenden einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung mit der oben erwähnten Zusammensetzung erhalten werden.A piezoelectric element must generally have a high electromechanical coupling factor k 33, which indicates a conversion efficiency in the conversion of applied between electrodes of a piezoelectric electric energy into mechanical energy. In Patent Document 1, a piezoelectric element having an electromechanical coupling factor k 33 of 20% or more, which is a value withstand practical use, can be obtained by using a piezoelectric ceramic composition having the above-mentioned composition.
Ferner offenbart Patentschrift 2 ein hauptsächlich für einen Kondensator verwendetes Keramikmaterial. Das Keramikmaterial enthält zwei verschiedene Arten von Bestandteilen, die in zueinander unterschiedlichen Phasen vorhanden sind und jeweils eine Perowskitstruktur aufweisen, die Ag in der A-Stelle und Nb und Ta in der B-Stelle enthält. Im Einzelnen wird die Verwendung einer Zusammensetzung (Ag1-yMIII y)((Nb1-xTax)1-yMIV y)O3 (wobei MIII Bi oder ein Seltenerdmetall darstellt, MIV In, Sc oder Ga darstellt und 0,35 ≤ x < 0,5 und 0 ≤ y ≤ 0,1) oder einer Zusammensetzung (Ag1-yMIII y)((Nb1-xTax)1-yMIV y)O3 (wobei MIII Ba, Ca, Pb oder Sr darstellt, MIV Sn oder Zr darstellt und 0,35 ≤ x ≤ 0,5 und 0 ≤ y ≤ 0,1) offenbart. Ferner wird offenbart, dass ein Mikrowellenbauelement mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, d. h. ε > 300, einem niedrigen Dielektrizitätsverlust und einem kleinen TKε durch Verwenden einer in Patentschrift 1 offenbarten Zusammensetzung erhalten werden kann.
- Patentschrift 1: ungeprüfte
japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung
Nr.
JP 2002-68836 A - Patentschrift 2: PCT japanische Übersetzung Patent, Veröffentlichung
Nr.
JP 2004-507432 A
- Patent Document 1: Unexamined Japanese Patent Application, Publication No.
JP 2002-68836 A - Patent Document 2: PCT Japanese Translation Patent, Publication No.
JP 2004-507432 A
Aus
der
Offenlegung der ErfindungDisclosure of the invention
Durch die Erfindung zu lösende ProblemeProblems to be solved by the invention
Im Allgemeinen müssen piezoelektrische Elemente wie vorstehend beschrieben einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 oder eine hohe piezoelektrische Konstante d33 aufweisen. Bei Verwenden eines piezoelektrischen Elements als piezoelektrischer Filter oder piezoelektrischer Oszillator, die auf eine elektronische Schaltung gebaut werden, muss das piezoelektrische Element eine geeignet hohe relative Dielektrizitätskonstante εr (= ε/ε0, ε: Dielektrizitätskonstante, ε0: Dielektrizitätskonstante bei Vakuum) aufweisen.In general, as described above, piezoelectric elements must have a high electromechanical coupling factor k 33 or a high piezoelectric constant d 33 . When using a piezoelectric element as a piezoelectric filter or piezoelectric oscillator, which are built on an electronic circuit, the piezoelectric element must have a suitably high relative dielectric constant εr (= ε / ε 0 , ε: dielectric constant, ε 0 : dielectric constant at vacuum).
Um ein piezoelektrisches Element wie einen piezoelektrischen Filter oder einen piezoelektrischen Oszillator auf einer elektronischen Schaltung zu verwenden, muss die Impedanz des piezoelektrischen Elements auf einen vorbestimmten Wert angepasst werden. Bei der Ermittlung der Impedanz ist die Kapazität dies piezoelektrischen Elements ein kritischer Faktor.Around a piezoelectric element such as a piezoelectric filter or a piezoelectric oscillator on an electronic To use circuit must have the impedance of the piezoelectric Elements are adjusted to a predetermined value. In the Determining the impedance is the capacitance of this piezoelectric element a critical factor.
Die Kapazität eines piezoelektrischen Elements ist, wie allgemein bekannt ist, direkt proportional zur relativen Dielektrizitätskonstante εr. Wenn die relative Dielektrizitätskonstante εr eines piezoelektrischen Materials hoch ist, kann daher eine Sollimpedanz mühelos verwirklicht werden, selbst wenn die Fläche eines piezoelektrischen Elements infolge von Miniaturisierung verkleinert wird.The capacity a piezoelectric element is, as is well known, directly proportional to the relative dielectric constant εr. If the relative dielectric constant εr of a piezoelectric Material is high, therefore, a target impedance can be easily realized even if the area of a piezoelectric element due to miniaturization miniaturized becomes.
Da wie vorstehend beschrieben eine Sollimpedanz mühelos vorgesehen werden kann, wenn die relative Dielektrizitätskonstante εr eines piezoelektrischen Materials hoch ist, ist eine geeignet hohe relative Dielektrizitätskonstante εr zum Miniaturisieren eines piezoelektrischen Elements erforderlich.There as described above, a target impedance can be easily provided, if the relative dielectric constant εr of a piezoelectric Material is high, a suitable high relative dielectric constant εr for miniaturization a piezoelectric element required.
Die relative Dielektrizitätskonstante εr der in Patentschrift 1 offenbarten piezoelektrischen Keramikzusammensetzung hat aber einen niedrigen Wert von 350 oder weniger. Daher ist es nachteiligerweise schwierig, eine Sollimpedanz zu erhalten.The relative dielectric constant εr of in Patent Document 1 disclosed piezoelectric ceramic composition but has a low value of 350 or less. Therefore, it is disadvantageously difficult to obtain a target impedance.
In Patentschrift 1 weisen ferner einige piezoelektrische Keramikzusammensetzungen eine piezoelektrische Konstante d33 auf, die unter 50 liegt. Ferner kann, was problematisch ist, ein hoher elektromechanischer Kopplungsfaktor k33 nicht stabil verwirklicht werden.Further, in Patent Document 1, some piezoelectric ceramic compositions have a piezoelectric constant d 33 which is less than 50. Further, which is problematic, a high electromechanical coupling factor k 33 can not be stably realized.
In Patentschrift 2 wird ein Keramikmaterial mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstante εr offenbart. Die relative Dielektrizitätskonstante εr liegt aber bei einem Maximum unter 600. Somit wird keine ausreichende relative Dielektrizitätskonstante εr verwirklicht. Da ferner das in Patentschrift 2 offenbarte Keramikmaterial für ein Mikrowellenbauelement verwendet wird, werden nachteiligerweise keine geeigneten piezoelektrischen Eigenschaften wie ein elektromechanischer Kopplungsfaktor k33 und eine piezoelektrische Konstante d33 vorgesehen.In Patent Document 2, a ceramic material having a high relative dielectric constant εr is disclosed. However, the relative dielectric constant εr is less than 600 at a maximum. Thus, no sufficient relative dielectric constant εr is achieved. Further, since the ceramic material disclosed in Patent Document 2 is used for a microwave device, disadvantageously, no suitable piezoelectric properties such as an electromechanical coupling factor k 33 and a piezoelectric constant d 33 are provided.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben erwähnten Probleme verwirklicht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, hoch zuverlässige bleifreie piezoelektrische Keramikzusammensetzungen mit einer geeignet hohen relativen Dielektrizitätskonstante und guten piezoelektrischen Eigenschaften wie einem elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 und einer piezoelektrischen Konstante d33 an die Hand zu geben. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, piezoelektrische Elemente an die Hand zu geben, die mit Hilfe solcher piezoelektrischer Keramikzusammensetzungen hergestellt werden.The present invention has been accomplished in view of the above-mentioned problems. An object of the present invention is to provide highly reliable lead-free piezoelectric ceramic compositions having a suitably high relative dielectric constant and good piezoelectric properties such as an electromechanical coupling factor k 33 and a piezoelectric constant d 33 . Another object of the present invention is to provide piezoelectric elements which are manufactured by means of such piezoelectric ceramic compositions.
Mittel zum Lösen des ProblemsMeans for releasing the problem
Der vorliegende Erfinder hat intensive Untersuchungen an bleifreiem Perowskit-Komplexoxid (allgemeine Formel: ABO3) durchgeführt, um die oben erwähnten Aufgaben zu verwirklichen, und hat herausgefunden, dass eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung mit einer geeignet hohen relativen Dielektrizitätskonstante εr und einer guten piezoelektrischen Eigenschaft, die stabil einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 und eine hohe piezoelektrische Konstante d33 aufweist, erhalten werden kann, selbst wenn die Zusammensetzung kein Blei enthält, indem eine Zusammensetzung verwendet wird, in der ein zweites komplexes Oxid mit einer A-Stelle, die feststoffgelöstes Bi und K, Na, Li oder Ag enthält, und einer B-Stelle, die feststoffgelöstes Ti, Zr, Sn oder Hf enthält, in einem ersten komplexen Oxid feststoffgelöst wird, das durch (Ag, Li)(Nb, Ta)O3 dargestellt wird, und die Molverhältnisse jedes Bestandteils geeignet gesteuert werden.The present inventor has intensively studied on lead-free perovskite complex oxide (general formula: ABO 3 ) to realize the above-mentioned objects, and has found that a piezoelectric ceramic composition having a suitably high relative permittivity εr and a good piezoelectric property stably having a high electromechanical coupling factor k 33 and a high piezoelectric constant d 33 can be obtained even if the composition does not contain lead by using a composition in which a second complex oxide having an A-site, the solid-dissolved Bi and K, Na, Li or Ag, and a B site containing Ti, Zr, Sn or Hf dissolved in the solid, is dissolved in a first complex oxide represented by (Ag, Li) (Nb, Ta) O 3 , and the molar ratios of each constituent are suitably controlled.
Ferner ist in der A-Stelle des zweiten komplexen Oxids feststoffgelöstes Bi ein dreiwertiges Metallelement, und K, Na, Li und Ag, die in der A-Stelle feststoffgelöst sind, sind allesamt einwertige Metallelemente, und die in der B-Stelle feststoffgelösten Ti, Zr, Sn und Hf sind allesamt vierwertige Metallelemente. Daher wird vorgeschlagen, dass eine durch Verwenden von Metallelement mit den gleichen Wertigkeiten wie jede dieser Metallelemente erzeugte Zusammensetzung ähnliche Funktionen und Wirkungen aufweisen kann.Further is solid-solubilized Bi in the A site of the second complex oxide a trivalent metal element, and K, Na, Li and Ag, which are in the A site dissolved solids are all monovalent metal elements, and those in the B-site solids dissolved Ti, Zr, Sn and Hf are all tetravalent metal elements. Therefore It is suggested that one by using metal element generated with the same valences as each of these metal elements Composition similar Functions and effects may have.
Die vorliegende Erfindung wurde auf diesen Erkenntnissen beruhend verwirklicht. Die erfindungsgemäße piezoelektrische Keramikzusammensetzung enthält einen Hauptbestandteil, der durch die allgemeine Formel {(1 – n)(Ag1-xLix)m(Nb1-yTay)O3 – n(M1, M2)M3O3} dargestellt wird (wobei M1 ein dreiwertiges Metallelement darstellt, M2 ein einwertiges Metallelement darstellt und M3 ein vierwertiges Metallelement darstellt), und x, y, m und n werden als 0,075 ≤ x < 0,40, 0 ≤ y < 0,2, 0,98 ≤ m ≤ 1,0 und 0,01 ≤ n ≤ 0,1 festgelegt.The present invention has been accomplished based on these findings. Is shown, the piezoelectric ceramic composition contains a main component represented by the general formula {n (M1, M2) M3O 3 (1 - - n) (Ag 1-x Li x) m (Nb 1-y Ta y) O 3} (where M1 represents a trivalent metal element, M2 represents a monovalent metal element and M3 represents a tetravalent metal element), and x, y, m and n are expressed as 0.075 ≤ x <0.40, 0 ≤ y <0.2, 0.98 ≤ m ≤ 1.0 and 0.01 ≤ n ≤ 0.1.
Im Einzelnen ist in der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramikzusammensetzung M1 Bi, M2 ist mindestens ein Element gewählt aus der Gruppe bestehend aus K, Na, Li und Ag und M3 ist mindestens ein Element gewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Sn und Hf.in the The single is in the piezoelectric ceramic composition of the present invention M1 Bi, M2 is at least one element selected from the group consisting from K, Na, Li and Ag and M3 is selected from at least one element the group consisting of Ti, Zr, Sn and Hf.
Der vorliegende Erfinder hat weiterhin intensive Untersuchungen angestellt und hat demzufolge ähnlich wie vorstehend die Tatsache aufgedeckt, dass eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung mit einer geeignet hohen relativen Dielektrizitätskonstante εr und einer guten piezoelektrischen Eigenschaft, die stabil einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 und eine hohe piezoelektrische Konstante d33 aufweist, ebenfalls durch Verwenden eines Perowskit-Oxids als zweites komplexes Oxid erhalten werden kann, in dem ein zweiwertiges Metallelement (beispielsweise mindestens ein Element gewählt aus Ba, Sr, Ca und Mg) in der A-Stelle feststoffgelöst ist und ein vierwertiges Metallelement (beispielsweise mindestens ein Element gewählt aus Ti, Zr, Sn und Hf) in der B-Stelle feststoffgelöst ist.The present inventor has continued to study intensively, and accordingly, similarly to the above, has revealed the fact that a piezoelectric ceramic composition having a suitably high relative permittivity εr and a good piezoelectric property stably has a high electromechanical coupling factor k 33 and a high piezoelectric constant d 33 can also be obtained by using a perovskite oxide as a second complex oxide in which a divalent metal element (for example, at least one element selected from Ba, Sr, Ca and Mg) is solid-solubilized in the A site and a tetravalent metal element (e.g. at least one element selected from Ti, Zr, Sn and Hf) is dissolved in the B-site.
Die erfindungsgemäße piezoelektrische Keramikzusammensetzung kann mit anderen Worten einen Hauptbestandteil enthalten, der durch die allgemeine Formel {(1 – n)(Ag1-xLix)m(Nb1-yTay)O3 – nM4M5O3} dargestellt wird (wobei M4 ein zweiwertiges Metallelement darstellt und M5 ein vierwertiges Metallelement darstellt), und x, y, m und n werden als 0,075 ≤ x < 0,40, 0 ≤ y < 0,2, 0,98 ≤ m ≤ 1,0 und 0,01 ≤ n ≤ 0,1 festgelegt.In other words, the piezoelectric ceramic composition of the present invention may contain a main component represented by the general formula {(1-n) (Ag 1-x Li x ) m (Nb 1-y Ta y ) O 3 -nM4M5O 3 }) M4 represents a divalent metal element and M5 represents a tetravalent metal element), and x, y, m and n are expressed as 0.075 ≦ x <0.40, 0 ≦ y <0.2, 0.98 ≦ m ≦ 1.0, and 0 , 01 ≤ n ≤ 0.1.
Im Einzelnen ist in der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramikzusammensetzung M4 mindestens ein Element gewählt aus der Gruppe bestehend aus Ba, Sr, Ca und Mg und M5 ist mindestens ein Element gewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Sn und Hf.in the The single is in the piezoelectric ceramic composition of the present invention M4 selected at least one element from the group consisting of Ba, Sr, Ca and Mg and M5 is at least an element selected from the group consisting of Ti, Zr, Sn and Hf.
Weiterhin erfindungsgemäß wird die Verwendung einer piezoelektrischen Keramik gemäß den Ansprüche 5 und 6 gelehrt.Farther According to the invention Use of a piezoelectric ceramic according to claims 5 and 6 taught.
Dabei umfasst ein erfindungsgemäßes piezoelektrisches Element Außenelektroden, die an der Oberfläche eines aus der oben beschriebenen piezoelektrischen Keramikzusammensetzung gebildeten keramischen Sinterkörpers angeordnet sind.there comprises a piezoelectric according to the invention Element outer electrodes, the on the surface one of the piezoelectric ceramic composition described above formed ceramic sintered body are arranged.
Ferner umfasst das erfindungsgemäße piezoelektrische Element eine in dem keramischen Sinterkörper eingebettete Innenelektrode.Further comprises the piezoelectric according to the invention Element an embedded in the ceramic sintered inner electrode.
Vorteilige Wirkung der ErfindungAdvantageous effect of the invention
Gemäß der oben beschriebenen Keramikzusammensetzung aus piezoelektrischem Material wird ein Hauptbestandteil durch die allgemeine Formel {(1 – n)(Ag1-xLix)m(Nb1-yTay)O3 – n(M1, M2)M3O3} dargestellt (wobei M1 ein dreiwertiges Metallelement darstellt, M2 ein einwertiges Metallelement darstellt und M3 ein vierwertiges Metallelement darstellt), und x, y, m und n sind als 0,075 ≤ x < 0,40, 0 ≤ y < 0,2, 0,98 ≤ m ≤ 1.0 und 0,01 ≤ n ≤ 0,1 festgelegt. Daher weist die piezoelektrische Keramikzusammensetzung eine geeignet hohe relative Dielektrizitätskonstante εr und eine gute piezoelektrische Eigenschaft auf, wobei sie stabil einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 und eine hohe piezoelektrische Konstante d33 aufweist.According to the piezoelectric material ceramic composition described above, a main component is represented by the general formula {(1-n) (Ag 1-x Li x ) m (Nb 1-y Ta y ) O 3 -n (M1, M2) M 3 O 3 } (where M1 represents a trivalent metal element, M2 represents a monovalent metal element and M3 represents a tetravalent metal element), and x, y, m and n are represented as 0.075 ≦ x <0.40, 0 ≦ y <0.2, 0, 98 ≤ m ≤ 1.0 and 0.01 ≤ n ≤ 0.1. Therefore, the piezoelectric ceramic composition has a suitably high relative dielectric constant εr and a good piezoelectric property, stably having a high electromechanical coupling factor k 33 and a high piezoelectric constant d 33 .
Ferner ist M1 Bi, M2 ist mindestens ein Element gewählt aus der Gruppe bestehend aus K, Na, Li und Ag, und M3 ist mindestens ein Element gewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Sn und Hf. Daher weist die erfindungsgemäße piezoelektrische Keramikzusammensetzung eine hohe relative Dielektrizitätskonstante von 600 oder mehr, einen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 von 25% oder mehr und eine piezoelektrische Konstante d33 von 50 pC/N oder mehr auf. Die piezoelektrische Keramikzusammensetzung weist auch eine gute piezoelektrische Eigenschaft auf, die eine Curie-Temperatur von 200°C oder mehr erreicht.Further, M1 is Bi, M2 is at least one element selected from the group consisting of K, Na, Li and Ag, and M3 is at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Sn and Hf. Therefore, the piezoelectric ceramic composition of the present invention a high relative dielectric constant of 600 or more, an electromechanical coupling factor k 33 of 25% or more and a piezoelectric constant d 33 of 50 pC / N or more. The piezoelectric ceramic composition also has a good piezoelectric property reaching a Curie temperature of 200 ° C or more.
Wenn ferner der Hauptbestandteil einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung durch die allgemeine Formel {(1 – n)(Ag1-xLix)m(Nb1-yTay)O3 – nM4M5O3} dargestellt wird (wobei M4 ein zweiwertiges Metallelement darstellt und M5 ein vierwertiges Metallelement darstellt) und x, y, m und n als 0,075 ≤ x < 0,40, 0 ≤ y < 0,2, 0,98 ≤ m ≤ 1,0 und 0,01 ≤ n ≤ 0,1 festgelegt sind, weist die piezoelektrische Keramikzusammensetzung auch eine geeignet hohe relative Dielektrizitätskonstante εr und eine gute piezoelektrische Eigenschaft auf, wobei sie ähnlich wie oben stabil einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 und eine hohe piezoelektrische Konstante d33 aufweist.Further, when the main constituent of a piezoelectric ceramic composition is represented by the general formula {(1-n) (Ag 1-x Li x ) m (Nb 1-y Ta y ) O 3 -nM4M5O 3 } (wherein M 4 represents a divalent metal element and M5 represents a tetravalent metal element) and x, y, m and n are 0.075 ≦ x <0.40, 0 ≦ y <0.2, 0.98 ≦ m ≦ 1.0 and 0.01 ≦ n ≦ 0.1 are set, the piezoelectric ceramic composition also has a suitably high relative dielectric constant εr and a good piezoelectric property, and similarly as above, has a high electromechanical coupling factor k 33 and a high piezoelectric constant d 33 .
Wenn bei der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Keramikzusammensetzung ferner M4 mindestens ein Element gewählt aus der Gruppe bestehend aus Ba, Sr, Ca und Mg ist und M5 mindestens ein Element gewählt aus der Gruppe bestehend aus Ti, Zr, Sn und Hf ist, weist die erfindungsgemäße piezoelektrische Keramikzusammensetzung ähnlich wie oben auch eine hohe relative Dielektrizitätskonstante von 600 oder mehr, einen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 von 25% oder mehr, eine piezoelektrische Konstante d33 von 50 pC/N oder mehr und eine gute piezoelektrische Eigenschaft auf, die eine Curie-Temperatur von 200° oder mehr erreicht.Further, in the piezoelectric ceramic composition of the present invention, when M4 is at least one element selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca and Mg and M5 is at least one element selected from the group consisting of Ti, Zr, Sn and Hf, the piezoelectric element of the present invention has Similar to the above, a high relative dielectric constant of 600 or more, an electromechanical coupling factor k 33 of 25% or more, a piezoelectric constant d 33 of 50 pC / N or more, and a good piezoelectric property exhibiting a Curie temperature of 200 ° or more achieved.
Bei dem oben erwähnten piezoelektrischen Element können ferner aufgrund der Anordnung von Außenelektroden auf der Oberfläche eines aus oben beschriebenen piezoelektrischen Keramikzusammensetzung gebildeten keramischen Sinterkörpers verschiedene Arten von piezoelektrischen Elementen mit einer guten piezoelektrischen Eigenschaft und ausgezeichneter Zuverlässigkeit vorgesehen werden.at the above mentioned piezoelectric element can Furthermore, due to the arrangement of external electrodes on the surface of a of the piezoelectric ceramic composition described above formed ceramic sintered body different types of piezoelectric elements with a good one piezoelectric property and excellent reliability be provided.
Da ferner in dem oben erwähnten keramischen Sinterkörper eine Innenelektrode eingebettet ist, können ähnlich wie oben verschiedene Arten von piezoelektrischen Elementen mit einer guten piezoelektrischen Eigenschaft und ausgezeichneter Zuverlässigkeit vorgesehen werden.There further in the above-mentioned ceramic sintered body an inner electrode is embedded, similar to the above Types of piezoelectric elements with a good piezoelectric property and excellent reliability be provided.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bezugszeichenreference numeral
- 11
- piezoelektrische Keramik (keramischer Sinterkörper)piezoelectric Ceramic (ceramic sintered body)
- 22
- Innenelektrodeinner electrode
- 33
- Außenelektrodeouter electrode
- 44
- Außenelektrodeouter electrode
Beste Art der Durchführung der ErfindungBest mode of carrying out the invention
Als Nächstens werden erfindungsgemäße Ausführungen näher beschrieben.When next time be inventive embodiments described in more detail.
Eine
piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung wird
durch die allgemeine Formel (A) dargestellt:
Die Molverhältnisse x, y, m und n erfüllen die folgenden Ausdrücke (1) bis (4):
- (1) 0,075 ≤ x < 0,40;
- (2) 0 ≤ y < 0,2;
- (3) 0,98 ≤ m ≤ 1,0 und
- (4) 0,01 ≤ n ≤ 0,1.
- (1) 0.075 ≦ x <0.40;
- (2) 0 ≦ y <0.2;
- (3) 0.98 ≤ m ≤ 1.0 and
- (4) 0.01 ≦ n ≦ 0.1.
Diese piezoelektrische Keramikzusammensetzung ist mit anderen Worten ein Verbundstoff, der zwei Arten von komplexen Oxiden mit jeweils einer Perowskit-Struktur enthält. Ein zweites komplexes Oxid (M1, M2)M3O3 ist in einem ersten komplexen Oxid (Ag, Li)(Nb, Ta)O3 feststoffgelöst. M1 ist ein dreiwertiges Metallelement, M2 ist ein einwertiges Metallelement und M3 ist ein vierwertiges Metallelement, und somit werden die Ladungen basierend auf der chemischen Struktur ausgeglichen. Das Mengenverhältnis zwischen M1 und M2 kann aber geringfügig von 1:1 abweichen, solange die Eigenschaft dadurch nicht beeinflusst wird.In other words, this piezoelectric ceramic composition is a composite containing two kinds of complex oxides each having a perovskite structure. A second complex oxide (M1, M2) M3O 3 is in a first complex oxide (Ag, Li) (Nb, Ta) O 3 solid-solved. M1 is a trivalent metal element, M2 is a monovalent metal element, and M3 is a tetravalent metal element, and thus the charges are balanced based on the chemical structure. However, the ratio between M1 and M2 may differ slightly from 1: 1 as long as the property is not affected.
Ferner wird die erfindungsgemäße piezoelektrische Keramikzusammensetzung so erzeugt, dass die allgemeine Formel (A) die Ausdrücke (1) bis (4) erfüllt. Daher kann eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung mit einer geeignet hohen relativen Dielektrizitätskonstante εr und einer guten piezoelektrischen Eigenschaft erhalten werden, die stabil einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 und eine hohe piezoelektrische Konstante d33 aufweist.Further, the piezoelectric ceramic composition of the present invention is produced so that the general formula (A) satisfies the expressions (1) to (4). Therefore, a piezoelectric ceramic composition having a suitably high relative dielectric constant εr and a good piezoelectric property can be obtained which stably has a high electromechanical coupling factor k 33 and a high piezoelectric constant d 33 .
Im Einzelnen umfassen Beispiele des dreiwertigen Metallelements M1 Bi, La, Nd, Sm, Gd, Y und Sc. Bi ist insbesondere bevorzugt. Beispiele für das einwertige Metallelement M2 umfassen Li, Na, K und Ag. Beispiele für das vierwertige Metallelement M3 umfassen Ti, Zr, Sn und Hf. Durch Verwenden dieser Metallelemente M1 bis M3 kann die piezoelektrische Keramikzusammensetzung mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstante εr von 600 oder mehr, einem elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 von 25% oder mehr, einer piezoelektrischen Konstante d33 von 50 pC/N oder mehr und einer guten piezoelektrischen Eigenschaft, die eine Curie-Temperatur von 200°C oder mehr erreicht, vorgesehen werden.Specifically, examples of the trivalent metal element M1 include Bi, La, Nd, Sm, Gd, Y and Sc. Bi is particularly preferred. Examples of the monovalent metal element M2 include Li, Na, K and Ag. at By using these metal elements M1 to M3, the piezoelectric ceramic composition having a high relative permittivity εr of 600 or more, an electromechanical coupling factor k 33 of 25% or more, a piezoelectric ceramic can be used Constant d 33 of 50 pC / N or more and a good piezoelectric property reaching a Curie temperature of 200 ° C or more can be provided.
Als Nächstes werden die Gründe, dass die Molverhältnisse von x, y und m jedes Elements des Hauptbestandteils und das Molverhältnis n des zweiten komplexen Oxids (M1, M2)M3O3 zu dem ersten komplexen Oxid (Ag, Li)(Nb, Ta)O3 auf die durch die Ausdrücke (1) bis (4) festgelegten Bereichen beschränkt sind, beschrieben.Next, the reasons that the molar ratios of x, y and m each element of the main component and the molar ratio n of the second complex oxide (M1, M2) M3O 3 to the first complex oxide (Ag, Li) (Nb, Ta) O 3 are limited to the ranges specified by expressions (1) to (4).
(1) Molverhältnis x(1) molar ratio x
Ein unter einer Hochtemperaturatmosphäre verwendetes piezoelektrisches Element muss eine hohe Curie-Temperatur Tc haben, was eine Temperatur ist, bei der eine ferroelektrische Phase zu einer paraelektrischen oder antiferroelektrischen Phase umgewandelt wird. Wenn das Molverhältnis x von Li niedriger als 0,075 ist, wird die Curie-Temperatur Tc auf 200°C oder weniger gesenkt, so dass die Temperaturstabilität eines piezoelektrischen Elements verschlechtert wird.One under a high temperature atmosphere used piezoelectric Element must have a high Curie temperature Tc, which is a temperature is, in which a ferroelectric phase to a paraelectric or antiferroelectric phase is converted. When the molar ratio x Li is lower than 0.075, the Curie temperature Tc becomes 200 ° C or Lowered so that the temperature stability of a piezoelectric element is worsened.
Wenn dagegen das Molverhältnis x 0,4 oder mehr beträgt, wird die Sintereigenschaft verschlechtert, so dass der Isolierungswiderstand gesenkt wird. Dies erschwert die Polarisationsbehandlung.If however, the molar ratio x is 0.4 or more, the sintering property is deteriorated, so that the insulation resistance is lowered. This makes the polarization treatment difficult.
Daher ist in dieser Ausführung das Molverhältnis x von Li auf 0,075 ≤ x < 0,40 beschränkt.Therefore is in this version the molar ratio x limited by Li to 0.075 ≦ x <0.40.
(2) Molverhältnis y(2) molar ratio y
Da Ta die gleiche Funktion wie Nb hat, kann Ta bei Bedarf in der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung enthalten sein. Wenn aber das Molverhältnis y von Ta zu Nb 0,2 oder mehr beträgt, wird die Curie-Temperatur Tc auf 200°C oder weniger gesenkt, so dass die Temperaturstabilität eines piezoelektrischen Elements wie bei dem Molverhältnis x verschlechtert wird.There Ta has the same function as Nb, Ta may need in the piezoelectric To be included ceramic composition. But if the molar ratio y from Ta to Nb is 0.2 or more, The Curie temperature Tc is lowered to 200 ° C or less, so that the temperature stability a piezoelectric element as in the molar ratio x is worsened.
Daher ist in dieser Ausführung das Molverhältnis y von Ta zu Nb auf 0 ≤ y < 0,2 beschränkt.Therefore is in this version the molar ratio y is limited from Ta to Nb to 0≤y <0.2.
(3) Molverhältnis m(3) molar ratio m
Wenn das Molverhältnis m des Bestandteils der A-Stelle (Ag, Li) des ersten komplexen Oxids zum Bestandteil der B-Stelle (Nb, Ta) niedriger als 0,98 ist, ist die Menge des Bestandteils der B-Stelle (Nb, Ta) zu hoch. Wenn dagegen das Molverhältnis m höher als 1,0 ist, ist die Menge des Bestandteils der A-Stelle zu hoch. In beiden Fällen wird die Sintereigenschaft verschlechtert, so dass der Isolierwiderstand gesenkt wird. Dies erschwert eine Polarisationsbehandlung.If the molar ratio m of the component of the A site (Ag, Li) of the first complex oxide to the B-site (Nb, Ta) is less than 0.98 the amount of the B-site component (Nb, Ta) is too high. If against the molar ratio m higher is 1.0, the amount of the A-site component is too high. In both cases the sintering property is deteriorated, so that the insulation resistance is lowered. This makes polarization treatment difficult.
Daher ist in dieser Ausführung das Molverhältnis m auf 0,98 ≤ m ≤ 1,0 beschränkt.Therefore is in this version the molar ratio m is limited to 0.98 ≤ m ≤ 1.0.
(4) Molverhältnis n(4) molar ratio n
Die relative Dielektrizitätskonstante εr kann durch Zugeben einer geeigneten Menge eines zweiten komplexen Oxids (M1, M2)M3O3 zu dem ersten komplexen Oxid (Ag, Li)(Nb, Ta)O3 verbessert werden. Wenn das Molverhältnis n des zweiten komplexen Oxids (M1, M2)M3O3 zum ersten komplexen Oxid (Ag, Li)(Nb, Ta)O3 höher als 1,0 ist, kann kein hoher elektromechanischer Kopplungsfaktor k33 aufrechterhalten werden. Dies macht die Verwendung der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung als Material eines piezoelektrischen Filters oder eines piezoelektrischen Oszillators ungeeignet. Wenn dagegen das Molverhältnis n unter 0,01 liegt, wird die relative Dielektrizitätskonstante εr niedriger als 600. Somit kann keine erwünschte relative Dielektrizitätskonstante εr vorgesehen werden. Daher wird die Impedanzanpassung verschlechtert, wenn das piezoelektrische Element miniaturisiert wird.Can .epsilon..sub.R the relative dielectric constant by adding a suitable amount of a second complex oxide (M1, M2) M3O 3 to the first complex oxide (Ag, Li) (Nb, Ta) O be improved. 3 When the molar ratio n of the second complex oxide (M1, M2) M3O 3 for the first complex oxide (Ag, Li) (Nb, Ta) O 3 is higher than 1.0, no high electromechanical coupling factor can be maintained k 33rd This makes the use of the piezoelectric ceramic composition unsuitable as a material of a piezoelectric filter or a piezoelectric oscillator. On the other hand, if the molar ratio n is less than 0.01, the relative dielectric constant εr becomes lower than 600. Thus, no desired relative dielectric constant εr can be provided. Therefore, the impedance matching is deteriorated when the piezoelectric element is miniaturized.
Daher ist in dieser Ausführung das Molverhältnis n des zweiten komplexen Oxids (M1, M2)M3O3 zum ersten komplexen Oxid (Ag, Li)(Nb, Ta)O3 auf 0,01 ≤ n ≤ 0,1 beschränkt.Therefore, in this embodiment, the molar ratio n of the second complex oxide (M1, M2) M3O O 3 0.01 ≤ 3 for the first complex oxide (Ag, Li) (Ta, Nb, n) ≤ 0.1 is limited.
Als Nächstes wird ein mit Hilfe der oben beschriebenen piezoelektrischen Keramikzusammensetzung hergestelltes piezoelektrisches Element beschrieben.When next becomes a manufactured by means of the piezoelectric ceramic composition described above described piezoelectric element.
In
dem piezoelektrischen Element sind zwei piezoelektrische Keramiken
(piezoelektrische keramische Sinterkörper
Die
Innenelektrode
Die
Außenelektroden
Der
sich erstreckende Teil
Zunächst werden als Ausgangsmaterialien eine Ag enthaltende Ag-Verbindung, eine Li enthaltende Li-Verbindung, eine Nb enthaltende Nb-Verbindung, eine Ta enthaltende Ta-Verbindung, eine ein Metallelement M1 enthaltende M1-Verbindung, eine ein Metallelement M2 enthaltende M2-Verbindung und eine ein Metallelement M3 enthaltende M3-Verbindung erzeugt.First, be as starting materials, an Ag-containing Ag compound, a Li-containing Li compound, Nb-containing Nb compound, a Ta-containing Ta compound containing a metal element M1 M1 connection, one a metal element M2 containing M2 compound and a metal element M3-containing M3 compound generated.
Dann werden diese Verbindungen abgewogen, um eine vorbestimmte Zusammensetzung zu erzeugen, die durch die allgemeine Formel (A) dargestellt wird. Die abgewogenen Verbindungen werden in eine einen Mahlkörper wie Zirkonium enthaltende Kugelmühle gegeben und in einem Lösungsmittel wie deionisiertem Wasser oder Ethanol 4 bis 24 Stunden gemischt, um einen Schlicker zu erzeugen. Ferner kann in diesem Schritt ein Dispergiermittel wie Sorbitan bevorzugt zugegeben werden, um die Verbindungen weiter gleichmäßig zu mischen.Then These compounds are weighed to a predetermined composition to produce, which is represented by the general formula (A). The weighed compounds are put into a grinding media like Zirconium-containing ball mill given and in a solvent mixed like deionized water or ethanol for 4 to 24 hours, to create a slip. Further, in this step, a Dispersants such as sorbitan are preferably added to the Continue to mix compounds evenly.
Dann
wird der Schlicker unter einer oxidierenden Atmosphäre bei einer
Temperatur von 800 bis 1.100°C
1 bis 24 Stunden getrocknet und kalziniert, um ein kalziniertes
Material zu erhalten. Dieses kalzinierte Material, ein Lösungsmittel
wie deionisiertes Wasser oder Ethanol und ein Bindemittel wie ein
Polyvinylalkoholharz werden in eine einen Mahlkörper enthaltende Kugelmühle gegeben
und gemischt und pulverisiert und dann getrocknet. Dann wird das
sich ergebende getrocknete Pulver durch uniaxiales Pressen zum Beispiel
zu einer Prismenform ausgebildet und dann unter einer oxidierenden
Atmosphäre
bei einer Temperatur von 950 bis 1.200°C 3 bis 10 Stunden gesintert.
Dadurch werden aus der oben beschriebenen piezoelektrischen Keramikzusammensetzung
gebildete piezoelektrische Keramiken
Dann
wird eine leitende Paste, die ein leitendes Material wie Ag enthält, erzeugt.
Die leitende Paste auf die Vorder- und Rückseiten der piezoelektrischen
Keramiken
Dann
wird die erste piezoelektrische Keramik
Dann
wird ein Epoxidkleber an der Oberfläche (an der die Außenelektrode
Bei
dem so hergestellten piezoelektrischen Oszillator sind die piezoelektrischen
Keramiken
Im Einzelnen kann ein piezoelektrisches Element mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstante εr von 600 oder mehr erhalten werden. Daher wird die Impedanzanpassung günstig, um das Vorsehen eines piezoelektrischen Oszillators von kleiner Größe und mit einer erwünschten Impedanz zu ermöglichen.in the Specifically, a piezoelectric element having a high relative Dielectric constant εr of 600 or more. Therefore, the impedance matching becomes favorable the provision of a piezoelectric oscillator of small size and with a desired one Allow impedance.
Ferner kann ein hoch zuverlässiger piezoelektrischer Oszillator mit einem elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 von 25% oder mehr und einer piezoelektrischen Konstante d33 von 50 pC/N oder mehr und ferner mit einer piezoelektrischen Eigenschaft, die eine Curie-Temperatur Tc von 200°C oder mehr erreicht, vorgesehen werden.Further, a highly reliable piezoelectric oscillator having an electromechanical coupling factor k 33 of 25% or more and a piezoelectric constant d 33 of 50 pC / N or more and further having a piezoelectric characteristic having a Curie temperature Tc of 200 ° C. or more achieved, be provided.
Als Nächstes wird eine zweite erfindungsgemäße Ausführung beschrieben.When next a second embodiment of the invention will be described.
Eine
piezoelektrische Keramikzusammensetzung nach der zweiten erfindungsgemäßen Ausführung wird
durch die allgemeine Formel (B) dargestellt:
In der Formel stellt M4 ein zweiwertiges Metallelement dar und M5 stellt ein vierwertiges Metallelement dar. Aus den gleichen Gründen wie in der ersten Ausführung werden die Molverhältnisse x, y, m und n angepasst, um die oben erwähnten Ausdrücke (1) bis (4) zu erfüllen.In of the formula, M4 represents a divalent metal element and M5 represents a tetravalent metal element. For the same reasons as in the first version become the molar ratios x, y, m and n are adapted to satisfy the above-mentioned expressions (1) to (4).
In der zweiten Ausführung wird mit anderen Worten ein Perowskit-Oxid, bei dem ein zweiwertiges Metallelement M4 in der A-Stelle des zweiten komplexen Oxids feststoffgelöst ist und ein vierwertiges Metallelement M5 in der B-Stelle feststoffgelöst ist, als zweites komplexes Oxid verwendet. Wenn das zweite komplexe Oxid so wie in der ersten Ausführung in einer durch die Zusammensetzungsformel M4M5O3 dargestellten Form ausgebildet wird, kann eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung mit einer geeignet hohen relativen Dielektrizitätskonstante εr und einer guten piezoelektrischen Eigenschaft, die stabil einen hohen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33, eine hohe piezoelektrische Konstante d33 und auch die Curie-Temperatur Tc zeigt, vorgesehen werden.In other words, in the second embodiment, a perovskite oxide in which a divalent metal element M4 in the A site of the second complex oxide is solid-solved and a tetravalent metal element M5 is dissolved in the B site is used as the second complex oxide. When the second complex oxide form shown M4M5O 3 is formed as in the first embodiment in a by the composition formula, a piezoelectric ceramic composition having a suitably high relative dielectric constant .epsilon..sub.R and a good piezoelectric property stably a high electromechanical coupling factor k 33, a high piezoelectric constant d 33 and the Curie temperature Tc shows, are provided.
Ferner umfassen Beispiele des zweiwertigen Metallelements M4 Ba, Sr, Ca und Mg. Beispiele für das vierwertige Metallelement M5 umfassen Ti, Zr, Sn und Hf. Durch Verwenden dieser Metallelemente wie in der ersten Ausführung kann eine piezoelektrische Keramikzusammensetzung mit einer hohen relativen Dielektrizitätskonstante εr von 600 oder mehr und mit einer piezoelektrischen Eigenschaft, die einen elektromechanischen Kopplungsfaktor k33 von 25% oder mehr, eine piezoelektrische Konstante d33 von 50 pC/N oder mehr und eine Curie-Temperatur Tc von 200°C oder mehr erreicht, vorgesehen werden.Further, examples of the bivalent metal element M4 include Ba, Sr, Ca and Mg. Examples of the tetravalent metal element M5 include Ti, Zr, Sn and Hf. By using these metal elements as in the first embodiment, a piezoelectric ceramic composition having a high relative dielectric constant εr of 600 or more and having a piezoelectric property which achieves an electromechanical coupling factor k 33 of 25% or more, a piezoelectric constant d 33 of 50 pC / N or more, and a Curie temperature Tc of 200 ° C or more.
Ferner
kann durch Verwenden der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung
(allgemeine Formel (B)) gemäß der zweiten
Ausführung
wie in der ersten Ausführung
ein piezoelektrischer Oszillator vorgesehen werden, der ähnlich dem
in
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt. Als Ausführung der piezoelektrischen Keramikzusammensetzung ist eine Feststofflösung, in der ein zweites komplexes Oxid (M1, M2)M3O3 oder M4M5O3 in einem ersten komplexen Oxid (Ag, Li)(Nb, Ta)O3 feststoffgelöst ist, wie vorstehend beschrieben bevorzugt. Das zweite komplexe Oxid (M1, M2)M3O3 oder M4M5O3 kann aber in dem ersten komplexen Oxid (Ag, Li)(Nb, Ta)O3 nicht vollständig feststoffgelöst werden und kann in einer Korngrenze teilweise vorhanden sein. Ferner kann das zweite komplexe Oxid (M1, M2)M3O3 oder M4M5O3 als Gemisch mit dem ersten komplexen Oxid (Ag, Li)(Nb, Ta)O3 vorliegen.The present invention is not limited to the above-described embodiments. As an embodiment of the piezoelectric ceramic composition is a solid solution in which a second complex oxide (M1, M2) M3O 3 or M4M5O 3 in a first complex oxide (Ag, Li) (Nb, Ta) O is solid-solved 3, preferably as described above. The second complex oxide (M1, M2) M3O 3 or M4M5O 3 but, in the first complex oxide (Ag, Li) (Nb, Ta) O 3 can not be completely solid-solved, and may be partly present in a grain boundary. Furthermore, the second complex oxide (M1, M2) M3O 3 or M4M5O 3 as a mixture with the first complex oxide (Ag, Li) (Nb, Ta) O are present. 3
Bei
den oben beschriebenen Ausführungen
werden die dielektrischen Keramiken
Bei den oben beschriebenen Ausführungen wird ein piezoelektrischer Oszillator als ein Beispiel des piezoelektrischen Elements beschrieben, doch kann selbiges analog auf piezoelektrische Aktoren, piezoelektrische Filter, piezoelektrische Summer und piezoelektrische Sensoren angewendet werden.at the embodiments described above is a piezoelectric oscillator as an example of the piezoelectric Elements described, but the same can be analogous to piezoelectric Actuators, piezoelectric filters, piezoelectric buzzer and piezoelectric Sensors are applied.
Als Nächstes werden Beispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.When next Examples of the present invention will be described in detail.
Beispiel 1example 1
Zuerst wurden Pulver von Ag2O, Li2CO3, Nb2O5, Ta2O5, Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, ZrO2, SnO2 und HfO2 abgewogen, um die in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen zu erhalten. Jede der gewogenen Zusammensetzungen wurde unter einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 850 bis 1.100°C 10 Stunden lang mit Hilfe eines Elektroofens kalziniert, um ein kalziniertes Material zu erhalten.First, powders of Ag 2 O, Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , TiO 2 , ZrO 2 , SnO 2 and HfO 2 were weighed to obtain the compositions shown in Table 1. Each of the weighed compositions was calcined under an oxidizing atmosphere at a temperature of 850 to 1,100 ° C for 10 hours by means of an electric furnace to obtain a calcined material.
Dieses kalzinierte Material wurde nassvermahlen. Dann wurden 100 Gewichtsteile dieses kalzinierten Materials und 5 Gewichtsteile eines Polyvinylalkoholharzes, das als Bindemittel diente, gemischt. Das resultierende Gemisch wurde getrocknet und dann durch uniaxiales Pressen bei einem Druck von 9,8 × 108 Pa zu einer prismatischen Form mit 12 mm Höhe, 12 mm Breite und 2,5 mm Dicke ausgebildet und dann unter einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 950 bis 1.200°C 3 bis 10 Stunden gesintert, um eine piezoelektrische Keramik zu erhalten.This calcined material was wet milled. Then, 100 parts by weight of this calcined material and 5 parts by weight of a polyvinyl alcohol resin serving as a binder were mixed. The resulting mixture was dried and then formed by uniaxial pressing at a pressure of 9.8 × 10 8 Pa into a prismatic mold 12 mm high, 12 mm wide and 2.5 mm thick and then under an oxidizing atmosphere at a temperature of 950 to 1200 ° C sintered for 3 to 10 hours to obtain a piezoelectric ceramic.
Dann wurde sowohl auf die Vorder- als auch auf die Hinterseite der piezoelektrischen Keramik eine Ag-Paste aufgebracht und dann bei 800°C gebrannt. Dann wurde durch Anlegen einer Gleichspannung von 20 bis 100 kV/cm an der piezoelektrischen Keramik in einem isolierenden Ölbad bei einer Temperatur von 40 bis 150°C über 10 bis 30 min. eine Polarisationsbehandlung durchgeführt.Then was applied to both the front and the back of the piezoelectric Ceramic applied an Ag paste and then fired at 800 ° C. Then, by applying a DC voltage of 20 to 100 kV / cm at the piezoelectric ceramic in an insulating oil bath a temperature of 40 to 150 ° C over 10 to 30 min. performed a polarization treatment.
Dann wurde die piezoelektrische Keramik mit einem Abschneider zu Prismen mit 2 mm Höhe, 2 mm Breite und 3 mm Dicke geschnitten. So wurden piezoelektrische Elemente der Proben Nr. 1 bis 38 vorgesehen.Then The piezoelectric ceramic with a cutter was prisms with 2 mm height, 2 mm wide and 3 mm thick cut. So were piezoelectric Elements of samples Nos. 1 to 38 are provided.
Dann wurde jedes der piezoelektrischen Elemente der Proben Nr. 1 bis 38 bezüglich der relativen Dielektrizitätskonstante εr, des elektromechanischen Kopplungsfaktors k33 für Dickenschwingung, der piezoelektrischen Konstante d33 für Dickenschwingung und der Curie-Temperatur Tc gemessen.Then, each of the piezoelectric elements of Samples Nos. 1 to 38 was measured for relative permittivity εr, thickness-modulating electromechanical coupling factor k 33, thickness vibration piezoelectric constant d 33, and Curie temperature Tc.
Die relative Dielektrizitätskonstante εr, der elektromechanische Kopplungsfaktor k33 und die piezoelektrische Konstante d33 wurden durch ein Resonanz-Antiresonanz-Verfahren mit Hilfe eines HF-Impedanzanalysators (HP4194A: Hewlett-Packard) ermittelt.The relative dielectric constant εr, the electromechanical coupling factor k 33 and the piezoelectric constant d 33 were determined by a resonance-antiresonance method using an RF impedance analyzer (HP4194A: Hewlett-Packard).
Ferner wurde die Temperaturabhängigkeit des elektromechanischen Kopplungsfaktors k33 ermittelt, und es wurde eine Temperatur, bei der der elektromechanische Kopplungsfaktor k33 durch einen Temperaturanstieg Null wird, nämlich eine Temperatur, bei der die piezoelektrische Eigenschaft verschwindet, als Curie-Temperatur Tc ermittelt.Further, the temperature dependency of the electromechanical coupling factor k 33 was found, and a temperature at which the electromechanical coupling factor k 33 becomes zero by a temperature rise, namely, a temperature at which the piezoelectric property disappears was found to be Curie temperature Tc.
Tabelle
1 zeigt die Zusammensetzungen der Proben Nr. 1 bis 38 und die Messergebnisse. [Tabelle 1]
- *: Wert außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung
- *: Value out of the range of the present invention
Wie aus Tabelle 1 offensichtlich ist, wurde bestätigt, dass die relative Dielektrizitätskonstante εr ein niedriger Wert von 304 war, da die Zusammensetzung der Probe Nr. 1 nicht das zweite komplexe Oxid (M1, M2)M3O3 enthielt.As is apparent from Table 1, it was confirmed that the relative dielectric constant was .epsilon..sub.R a low value of 304, since the composition of Sample Nos. 1 not the second complex oxide (M1, M2) M3O containing 3.
Weiterhin wurde bestätigt, dass die Curie-Temperatur Tc ein niedriger Wert von 140°C war und die relative Dielektrizitätskonstante εr, der elektromechanische Kopplungsfaktor k33 und die piezoelektrische Konstante d33 ebenfalls niedrig waren, da die Zusammensetzung der Probe Nr. 9 ein hohes Molverhältnis n von 0,20 hatte.Further, it was confirmed that the Curie temperature Tc was a low value of 140 ° C and the relative dielectric constant εr, the electromechanical coupling factor k 33 and the piezoelectric constant d 33 were also low because the composition of Sample No. 9 had a high molar ratio n of 0.20.
Bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 12 hatte das Molverhältnis x einen hohen Wert von 0,400 und daher war die Sintereigenschaft mangelhaft und der Isolierwiderstand niedrig. Dadurch konnte die Polarisationsbehandlung nicht ausgeführt werden.at the composition of Sample No. 12 had the molar ratio x a high value of 0.400 and therefore the sintering property was poor and the insulation resistance is low. This allowed the polarization treatment not executed become.
Da das Molverhältnis n in der Zusammensetzung der Probe Nr. 13 0,15 betrug, wurde bestätigt, dass die Molmenge des zweiten komplexen Oxids (M1, M2)M3O3 zu groß war, so dass der elektromechanische Kopplungsfaktor auf 18% gesenkt wurde und auch die piezoelektrische Konstante d33 und die Curie-Temperatur Tc gesenkt wurden.Since the molar ratio n in the composition of the sample No. 13 was 0.15, it was confirmed that the molar amount of the second complex oxide (M1, M2) M3O 3 was too large, so that the electromechanical coupling factor was lowered to 18%, and also the piezoelectric constant d 33 and the Curie temperature Tc were lowered.
Da das Molverhältnis m in der Zusammensetzung der Probe Nr. 25 ein niedriger Wert von 0,97 war, war die Zusammensetzung der B-Stelle (Na, Ta) des ersten komplexen Oxids zu groß. Daher verschlechterte sich die Sintereigenschaft und der Isolierwiderstand wurde gesenkt. Dadurch konnte die Polarisationsbehandlung nicht ausgeführt werden.There the molar ratio m in the composition of Sample No. 25 is a low value of 0.97, the composition of the B site (Na, Ta) of the first was complex oxide too large. Therefore, the sintering property and the insulation resistance deteriorated was lowered. As a result, the polarization treatment could not accomplished become.
Da in der Zusammensetzung der Probe Nr. 37 das Molverhältnis x 0,050 betrug, was zu klein war, wurde bestätigt, dass die Curie-Temperatur TC ein niedriger Wert von 150°C war und die relative Dielektrizitätskonstante εr, der elektromechanische Kopplungsfaktor k33 und die piezoelektrische Konstante d33 ebenfalls zu niedrig waren.In the composition of the sample No. 37, since the molar ratio x was 0.050, which was too small, it was confirmed that the Curie temperature TC was a low value of 150 ° C and the relative permittivity εr, the electromechanical coupling factor k 33 and the piezoelectric constant d 33 were also too low.
Da bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 38 das Molverhältnis y ein hoher Wert von 0,2 war, wurde bestätigt, dass die Curie-Temperatur Tc ein niedriger Wert von 160°C war und die relative Dielektrizitätskonstante εr, der elektromechanische Kopplungsfaktor k33 und die piezoelektrische Konstante d33 ebenfalls niedrig waren.Since the molar ratio y was a high value of 0.2 in the composition of Sample Nos. 38, it was confirmed that the Curie temperature Tc was a low value of 160 ° C and .epsilon..sub.R the relative dielectric constant, the electromechanical coupling factor k 33 and the piezoelectric constant d 33 were also low.
Da in jeder Zusammensetzung der Proben Nr. 2 bis 8, 10, 11, 14 bis 24 und 26 bis 36 die Molverhältnisse x, y, m and n innerhalb der Bereiche der vorliegenden Erfindung lagen, d. h. 0,075 ≤ x < 0,4, 0 ≤ y < 0,2, 0,98 ≤ m ≤ 1,0 and 0,01 ≤ n ≤ 0,1, und das zweite komplexe Oxid (M1, M2)M3O3 in dem ersten komplexen Oxid (Ag1-xLix)(Nb1-yTay)O3 feststoffgelöst war, wurde dagegen bestätigt, dass das dielektrische Element eine hohe relative Dielektrizitätskonstante εr von 600 oder mehr hatte und bezüglich piezoelektrischer Eigenschaften ausgezeichnet war, so dass der elektromechanische Kopplungsfaktor k33 25% oder mehr betrug, die piezoelektrische Konstante d33 50 pC/N oder mehr betrug und die Curie-Temperatur Tc 200°C oder mehr betrug.Since in each composition of Sample Nos. 2 to 8, 10, 11, 14 to 24 and 26 to 36, the molar ratios x, y, m and n were within the ranges of the present invention, ie 0.075 ≦ x <0.4, 0 ≦ y <0.2, 0.98 ≦ m ≦ 1.0 and 0.01 ≦ n ≦ 0.1, and the second complex oxide (M1, M2) M3O 3 in the first complex oxide (Ag 1-x Li x ) (Nb 1-y Ta y ) O 3 was dissolved, it was confirmed that the dielectric member had a high relative dielectric constant εr of 600 or more and was excellent in piezoelectric properties, so that the electromechanical coupling factor k 33 was 25% or was more, the piezoelectric constant d 33 was 50 pC / N or more and the Curie temperature Tc was 200 ° C or more.
Beispiel 2Example 2
Es wurden Pulver von Ag2O, Li2CO3, Nb2O5, Ta2O5, BaCO3, SrCO3, CaCO3, MgO, TiO2, ZrO2, SnO2 und HfO2 abgewogen, um die in Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzungen zu erhalten. Jede der gewogenen Zusammensetzungen wurde unter einer oxidierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 800 bis 1.100°C 10 Stunden lang mit Hilfe eines Elektroofens kalziniert, um ein kalziniertes Material zu erhalten.Powders of Ag 2 O, Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , BaCO 3 , SrCO 3 , CaCO 3 , MgO, TiO 2 , ZrO 2 , SnO 2 and HfO 2 were weighed out to give the in Table 2 shown compositions. Each of the weighed compositions was calcined under an oxidizing atmosphere at a temperature of 800 to 1,100 ° C for 10 hours by means of an electric furnace to obtain a calcined material.
Dann wurden piezoelektrische Elemente der Proben Nr. 41 bis 80 mittels des gleichen Verfahrens und Prozesses wie in Beispiel 1 hergestellt.Then were piezoelectric elements of samples Nos. 41 to 80 means of the same process and process as prepared in Example 1.
Dann wurde jedes der piezoelektrischen Elemente der Proben Nr. 41 bis 80 bezüglich der relativen Dielektrizitätskonstante εr, des elektromechanischen Kopplungsfaktors k33 für Dickenschwingung, der piezoelektrischen Konstante d33 für Dickenschwingung und der Curie-Temperatur Tc mit dem gleichen Verfahren und Prozess wie in Beispiel 1 gemessen.Then, each of the piezoelectric elements of Sample Nos. 41 to 80 was measured for the relative permittivity εr, the electromechanical coupling factor k 33 for thickness vibration, the piezoelectric constant d 33 for thickness vibration and the Curie temperature Tc by the same method and process as in Example 1 measured.
Tabelle
2 zeigt die Zusammensetzungen der Proben Nr. 41 bis 80 und die Messergebnisse. [Tabelle 2]
- *: Wert außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung
- *: Value out of the range of the present invention
Da die Zusammensetzung der Probe Nr. 41 nicht das zweite komplexe Oxid M4M5O3 enthielt, war die relative Dielektrizitätskonstante εr ein niedriger Wert von 304, wie bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 1 in Beispiel 1.Since the composition of Sample Nos. 41 did not contain the second complex oxide M4M5O 3, the relative dielectric constant was .epsilon..sub.R a low value of 304, as in the composition of the sample no. 1 in Example 1.
Da bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 49 das Molverhältnis y ein hoher Wert von 0,20 war, wurde bestätigt, dass die Curie-Temperatur Tc ein niedriger Wert von 130°C war und die relative Dielektrizitätskonstante εr, der elektromechanische Kopplungsfaktor k33 und die piezoelektrische Konstante d33 ebenfalls niedrig waren.Since, in the composition of the sample No. 49, the molar ratio y was a high value of 0.20, it was confirmed that the Curie temperature Tc was a low value of 130 ° C and the relative permittivity εr, the electromechanical coupling factor k 33 and the piezoelectric constant d 33 were also low.
Bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 50 war das Molverhältnis y ein hoher Wert von 0,45. Daher wurde Resonanz-Antiresonanz bei der Polarisationsbehandlung nicht erkannt und elektromechanischer Kopplungsfaktor k33, piezoelektrische Konstante d33 und Curie-Temperatur Tc konnten allesamt nicht gemessen werden.In the composition of Sample No. 50, the molar ratio y was a high value of 0.45. Therefore, resonance antiresonance was not recognized in the polarization treatment, and electromechanical coupling factor k 33 , piezoelectric constant d 33, and Curie temperature Tc could not all be measured.
Bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 51 war das Molverhältnis x Null. Wie bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 50 wurde daher bei der Polarisationsbehandlung Resonanz-Antiresonanz nicht erkannt, und elektromechanischer Kopplungsfaktor k33, piezoelektrische Konstante d33 und Curie-Temperatur Tc konnten allesamt nicht gemessen werden.In the composition of Sample No. 51, the molar ratio x was zero. Therefore, as in the composition of Sample No. 50, in the polarization treatment, resonance antiresonance was not recognized, and electromechanical coupling factor k 33 , piezoelectric constant d 33 and Curie temperature Tc could not be measured all.
Bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 54 war das Molverhältnis x ein hoher Wert von 0,400 und daher war die Sintereigenschaft mangelhaft und der Isolierwiderstand niedrig. Dadurch konnten die Polarisationsbehandlung nicht ausgeführt werden.at the composition of Sample No. 54 was the mole ratio x a high value of 0.400 and therefore the sintering property was poor and the insulation resistance is low. This allowed the polarization treatment not executed become.
Da in der Zusammensetzung der Probe Nr. 55 das Molverhältnis n 0,15 betrug und daher die Molmenge des zweiten komplexen Oxids M4M5O3 überhoch war, wurde bestätigt, dass der elektromechanische Kopplungsfaktor k33 auf 20% gesenkt war und die piezoelektrische Konstante d33 und die Curie-Temperatur Tc ebenfalls gesenkt waren.Since, in the composition of the sample No. 55, the molar ratio n was 0.15 and therefore the molar amount of the second complex oxide M4M5O 3 was excessive, it was confirmed that the electromechanical coupling factor k 33 was lowered to 20% and the piezoelectric constant d 33 and the Curie temperature Tc were also lowered.
Da bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 67 das Molverhältnis m ein niedriger Wert von 0,97 war, war die Zusammensetzung der B-Stelle (Na, Ta) des ersten komplexen Oxids übermäßig. Daher wurde die Sintereigenschaft verschlechtert und der Isolierwiderstand gesenkt. Dadurch konnte die Polarisationsbehandlung nicht ausgeführt werden.There in the composition of Sample No. 67, the molar ratio m was a low value of 0.97, the composition of the B site was (Na, Ta) of the first complex oxide excessively. Therefore, the sintering property became deteriorates and the insulation resistance lowered. This could the polarization treatment will not be performed.
Da bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 79 das Molverhältnis x 0,050 betrug, was zu klein ist, wurde bestätigt, dass die Curie-Temperatur Tc ein niedriger Wert von 140°C war und die relative Dielektrizitätskonstante εr, der elektromechanische Kopplungsfaktor k33 und die piezoelektrische Konstante d33 ebenfalls niedrig waren.Since in the composition of the sample No. 79, the molar ratio x was 0.050, which is too small, it was confirmed that the Curie temperature Tc was a low value of 140 ° C and the relative dielectric constant εr, the electromechanical coupling factor k 33 and the piezoelectric constant d 33 were also low.
Da bei der Zusammensetzung der Probe Nr. 80 das Molverhältnis m ein hoher Wert von 1,1 war, war die Zusammensetzung des ersten komplexen Oxids der A-Stelle übermäßig. Daher wurde die Sintereigenschaft verschlechtert und der Isolierwiderstand gesenkt. Dadurch konnte die Polarisationsbehandlung nicht ausgeführt werden.There in the composition of Sample No. 80, the molar ratio m a high value of 1.1, the composition was the first complex Oxides of A site overly. Therefore the sintering property was deteriorated and the insulation resistance lowered. As a result, the polarization treatment could not be performed.
Da bei jeder der Zusammensetzungen der Proben Nr. 42 bis 48, 52, 53, 56 bis 66 und 68 bis 78 die Molverhältnisse x, y, m und n innerhalb der Bereiche der vorliegenden Erfindung lagen, d. h. 0,075 ≤ x < 0,4, 0 ≤ y < 0,2, 0,98 ≤ m ≤ 1,0 und 0,01 ≤ n ≤ 0,1, und das zweite komplexe Oxid M4M5O3 in dem ersten komplexen Oxid (Ag1-xLix)m(Nb1-yTay)O3 feststoffgelöst war, wurde dagegen bestätigt, dass das dielektrische Element eine hohe relative Dielektrizitätskonstante εr von 600 oder mehr hatte und ausgezeichnete piezoelektrische Eigenschaften aufwies, so dass der elektromechanische Kopplungsfaktor k33 25% oder mehr betrug, die piezoelektrische Konstante d33 50 pC/N oder mehr betrug und die Curie-Temperatur Tc bei 200°C oder mehr lag. Ferner wurde bestätigt, dass die oben beschriebenen erwünschten piezoelektrischen Eigenschaften vorgesehen werden können, selbst wenn mehr als ein Metallelement in der A-Stellen-Zusammensetzung des zweiten komplexen Oxids M4M5O3 (Proben Nr. 56, 65, 68 bis 71 und 74) feststoffgelöst war.Since in each of the compositions of sample Nos. 42 to 48, 52, 53, 56 to 66 and 68 to 78, the molar ratios x, y, m and n were within the ranges of the present invention, ie 0.075 ≦ x <0.4, 0 ≦ y <0.2, 0.98 ≦ m ≦ 1.0 and 0.01 ≦ n ≦ 0.1, and the second complex oxide M4M5O 3 in the first complex oxide (Ag 1-x Li x ) m ( Nb 1-y Ta y ) O 3 , it was confirmed that the dielectric element had a high relative dielectric constant εr of 600 or more and had excellent piezoelectric properties, so that the electromechanical coupling factor k 33 was 25% or more piezoelectric constant d 33 was 50 pC / N or more and the Curie temperature Tc was 200 ° C or more. Further, (56 Sample Nos. 65, 68 to 71 and 74), it was confirmed that the desired piezoelectric properties described above can be provided, even if more than one metal element in the A-site composition of the second complex oxide M4M5O 3 was solid-solved ,
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